現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)展

■ 張嘉秋 Zhang Jiaqiu 秦惠紀(jì) Qin Huiji

0 前言

近10年現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)在中國(guó)得到發(fā)展，源自政府建設(shè)部門對(duì)綠色建材和循環(huán)經(jīng)濟(jì)的重視。

2005年3月，中國(guó)林科院木材工業(yè)研究所從加拿大引進(jìn)木結(jié)構(gòu)房屋結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)，在北京建造了2層輕型木結(jié)構(gòu)示范房屋(圖1)；同年9月，上?？茖W(xué)技術(shù)委員會(huì)在莘莊建造了3層木結(jié)構(gòu)生態(tài)建筑示范樓(圖2)；10月，蘇州落成了首棟木制結(jié)構(gòu)聯(lián)排別墅。同期在全國(guó)建造的木結(jié)構(gòu)住宅還有北京波特蘭花園、溫哥華森林，上海紅楓小區(qū)、南京佳湖綠島、蘇州青湖麗苑等輕型木結(jié)構(gòu)住宅小區(qū)以及上海金橋“夢(mèng)家園”(加拿大木業(yè)辦公地)。該時(shí)期的木結(jié)構(gòu)建筑以整體產(chǎn)品引進(jìn)方式建設(shè)。

近年上海采用輕木或膠合木結(jié)構(gòu)的項(xiàng)目有：上海市援建項(xiàng)目都江堰向蛾小學(xué)建筑群(圖3)，世博會(huì)展館建筑-溫哥華案例館(圖4)、世博村A地塊近代保護(hù)建筑董寅初住宅修復(fù)工程，三林經(jīng)適房基地行政中心(圖5)，以及松江陳子龍紀(jì)念館仿古建筑群、江寧路511號(hào)(原戈登路巡捕房)修復(fù)工程、圣三一教堂修復(fù)工程和寶山寺仿古建筑群(圖6)等項(xiàng)目。

基于中國(guó)政府對(duì)綠色建筑的重視和加、歐、美、日和新西蘭等國(guó)木業(yè)在中國(guó)的投入，國(guó)內(nèi)外學(xué)者、工程師定期進(jìn)行了木結(jié)構(gòu)技術(shù)交流和互訪，國(guó)內(nèi)工程界和開(kāi)發(fā)商對(duì)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)認(rèn)知度的不斷加深，對(duì)于促進(jìn)中國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)在中國(guó)經(jīng)過(guò)了十年初創(chuàng)期，在各個(gè)領(lǐng)域都取得了令人矚目的成果，但也存在一些值得業(yè)內(nèi)人士進(jìn)一步思考的問(wèn)題，本文就當(dāng)前木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)進(jìn)展中涉及到木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的一些問(wèn)題作進(jìn)一步討論。

1 技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)

近十年來(lái)，國(guó)內(nèi)的科研、教學(xué)、設(shè)計(jì)單位聯(lián)手，在國(guó)外木業(yè)研究機(jī)構(gòu)的支持下，引進(jìn)吸收了現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)，結(jié)合國(guó)內(nèi)研發(fā)成果，編制了一系列國(guó)家、地方和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

2005年版《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50005-2003)[1]對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)和膠合木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般要求作了規(guī)定。

2009年版《輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程》(DG/TJ08-2059-2009)[2]提出了按工程設(shè)計(jì)法或按構(gòu)造設(shè)計(jì)法對(duì)整體木結(jié)構(gòu)建筑進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)的概念，給出了水平荷載作用下木結(jié)構(gòu)抗震分析方法，并且對(duì)木結(jié)構(gòu)的連接設(shè)計(jì)和構(gòu)造設(shè)計(jì)都作出了具體的規(guī)定。作為上海市政府城鄉(xiāng)建設(shè)委員會(huì)第五注冊(cè)期培訓(xùn)班的培訓(xùn)教材。

國(guó)內(nèi)已編的木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)還有：中國(guó)西南設(shè)計(jì)院主編的國(guó)標(biāo)《膠合木設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(GB/T50708-2012)、行標(biāo)《輕型木桁架技術(shù)規(guī)范》(JGJT265-2012)，國(guó)家建材工業(yè)局標(biāo)準(zhǔn)站主編的國(guó)標(biāo)《木骨架組合墻體技術(shù)規(guī)范》(GB/T5036l-2005)。

目前，國(guó)標(biāo)2003版的《木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》[3]正在進(jìn)行修訂中。為適應(yīng)公共建筑對(duì)(重)木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)市場(chǎng)的需求，上海現(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)集團(tuán)、同濟(jì)大學(xué)、上海市消防局、蘇州皇家等單位編制的《工程木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》正在進(jìn)行中，

據(jù)了解，國(guó)內(nèi)已編或在編的木結(jié)構(gòu)材料或構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)有：中國(guó)林業(yè)科學(xué)研究院林業(yè)新技術(shù)研究所主編的《輕型木結(jié)構(gòu)用木質(zhì)復(fù)合工字?jǐn)R柵》，黑龍江省林業(yè)科學(xué)院木材科學(xué)研究所主編的《木質(zhì)結(jié)構(gòu)材料使用銷類金屬緊固件連接性能試驗(yàn)方法》、《木工字梁》、《木結(jié)構(gòu)用單板層積材》，南京林業(yè)大學(xué)主編的《輕型木結(jié)構(gòu)建筑覆面板用定向刨花板》，北京林業(yè)機(jī)械研究所負(fù)責(zé)《輕型木結(jié)構(gòu)連接件通用技術(shù)條件》等。

即將頒布的國(guó)標(biāo)《建筑防火規(guī)范》(報(bào)批稿)[4]允許木結(jié)構(gòu)組合(混合)建筑的層數(shù)為7層、24m高度，拓寬了木結(jié)構(gòu)建筑的適用范圍。

2 設(shè)計(jì)技術(shù)

現(xiàn)代木建筑按常用的結(jié)構(gòu)用材可分為原木方木結(jié)構(gòu)(圖7)、膠合木結(jié)構(gòu)(圖8)和輕木結(jié)構(gòu)(圖9)三類，以及他們的混合應(yīng)用結(jié)構(gòu)，或與鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)組合應(yīng)用結(jié)構(gòu)；按常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)模型可分為梁柱式框架體系(圖8)、輕型木結(jié)構(gòu)體系(圖9)、普通膠合木或CLT膠合木的墻板結(jié)構(gòu)體系(圖10)以及他們的混合應(yīng)用結(jié)構(gòu)。但是迄今為止，除了輕型木結(jié)構(gòu)體系的力學(xué)計(jì)算模型比較明確外，梁柱式框架體系雖已得到應(yīng)用，但其受力機(jī)理尚存在某些不確定性；近年來(lái)，歐美研發(fā)普通膠合木或CLT膠合木墻板結(jié)構(gòu)體系也已進(jìn)入試設(shè)計(jì)階段。

2.1 木框架結(jié)構(gòu)力學(xué)模型基本假定

木框架結(jié)構(gòu)是國(guó)內(nèi)適用的基本結(jié)構(gòu)體系。對(duì)梁柱式結(jié)構(gòu)而言，由于梁柱節(jié)點(diǎn)的非剛性，導(dǎo)致在水平荷載作用下結(jié)構(gòu)初始變形大的特證。描述梁柱節(jié)點(diǎn)非剛性變形特征需要考慮因素較多，包括梁柱節(jié)點(diǎn)連接設(shè)計(jì)、節(jié)點(diǎn)構(gòu)造、試驗(yàn)方法，特別是木材物理力學(xué)參數(shù)，目前難以用公式進(jìn)行概括。(純)框架結(jié)構(gòu)過(guò)大的變形限制了他的應(yīng)用，節(jié)點(diǎn)非剛性特征有待進(jìn)一步研究。文獻(xiàn)[3]規(guī)定梁柱式木結(jié)構(gòu)柱應(yīng)按兩端鉸接計(jì)算。文獻(xiàn)[7]第11.3.1條文說(shuō)明提出了梁柱鉸接房屋的適用性問(wèn)題，并在第11.3.6～11.3.8條提出控制側(cè)向變形、加強(qiáng)整體性和保證穩(wěn)定性的措施。

2.2 水平層間位移

文獻(xiàn)[3]第4.2.15條規(guī)定，輕型木結(jié)構(gòu)的水平層間位移不得超過(guò)結(jié)構(gòu)層高的1/250；第4.2.19條規(guī)定，文物建筑和優(yōu)秀歷史建筑維護(hù)和加固設(shè)計(jì)驗(yàn)算木構(gòu)架的抗震變形時(shí)，位移角限值宜取1/30；兩者差異較大。據(jù)文獻(xiàn)[8]介紹，部分美國(guó)規(guī)范SEAOC.1996、ASCE 41.2006、FEMA(2000)對(duì)輕型木結(jié)構(gòu)房屋層間位移性能參數(shù)給出的參考值：小震、中震、大震作用下，結(jié)構(gòu)的層間位移限制分別為1%、2%、3%。

鑒于木結(jié)構(gòu)試驗(yàn)本構(gòu)關(guān)系中存在的非線性性質(zhì)和前期變形大的特點(diǎn)，文獻(xiàn)[3]規(guī)定的小震作用下水平層間位移限值偏嚴(yán)。參照文獻(xiàn)[7]鋼筋混凝土框架和多層鋼結(jié)構(gòu)彈塑性層間位移角限值1/50和文獻(xiàn)[8]的規(guī)定，如果將木框架結(jié)構(gòu)極限層間位移角控制在1/50～1/30內(nèi)，根據(jù)近期上?！豆こ棠窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》對(duì)五類木框架結(jié)構(gòu)系列的初步試驗(yàn)結(jié)果證明，所有帶支撐框架和帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架、包括“控制極限層間位移角的帶隅撐框架結(jié)構(gòu)”，層間位移角一般都能控制在該范圍內(nèi)，成為可供選擇的框架結(jié)構(gòu)種類。

2.3 五種類型木框架結(jié)構(gòu)的試驗(yàn)研究

為了開(kāi)拓木框架結(jié)構(gòu)體系，上?！豆こ棠窘Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行了(純)框架、帶交叉支撐框架、帶人字撐框架、帶隅撐框架和帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架等五種類型木框架結(jié)構(gòu)系列的研究(表1)，此外，還完成了內(nèi)插鋼板螺栓連接節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，以及在內(nèi)插鋼板螺栓連接節(jié)點(diǎn)與螺栓垂直方向施加橫紋自攻螺絲的節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)果表明，采用內(nèi)插鋼板螺栓連接梁柱式(純)框架節(jié)點(diǎn)試驗(yàn)，同樣存在節(jié)點(diǎn)非剛性問(wèn)題。

試驗(yàn)證明，當(dāng)以承載能力評(píng)價(jià)帶支撐框架與(純)框架的力學(xué)性能時(shí)，前者有效地提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，變形量也能控制在結(jié)構(gòu)正常使用的范圍內(nèi)。

與帶支撐框架相比，帶木基結(jié)構(gòu)墻板框架在試驗(yàn)前期，墻板幾乎承擔(dān)了全部側(cè)向荷載作用，結(jié)構(gòu)的側(cè)向變形量接近帶人字撐框架變形量，但該階段的荷載值僅為帶人字支撐框架的一半。在反復(fù)荷載作用下，部分墻板退出工作，墻板抗剪承載力持續(xù)降低。但是在大變形情況下，框架與木基結(jié)構(gòu)墻板變形越來(lái)越協(xié)調(diào)，整體工作能力不斷提高，彌補(bǔ)了墻板承載力的降低，結(jié)構(gòu)整體工作，形成穩(wěn)定的承載能力，結(jié)構(gòu)變形呈持續(xù)增長(zhǎng)的態(tài)勢(shì)，結(jié)構(gòu)延性良好。

在與螺栓垂直方向施加橫紋自攻螺絲后，內(nèi)插鋼板螺栓連接梁柱式節(jié)點(diǎn)的承載能力與剛度得到提高，提高的幅度與梁柱節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)、自攻螺栓的排列和數(shù)量以及自攻螺絲的長(zhǎng)度和位置有關(guān)。施加橫紋自攻螺絲后顯著提高了節(jié)點(diǎn)的延性性能。

3 配套技術(shù)

與木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)配套的計(jì)算軟件、連接件產(chǎn)品和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)等都是不可或缺的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)組成部分。

國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)建筑工程結(jié)構(gòu)計(jì)算方法有二種，一種是按現(xiàn)行國(guó)標(biāo)或地方標(biāo)準(zhǔn)的手算計(jì)算書(shū)。對(duì)于3層及3層以下的平立面規(guī)則的木結(jié)構(gòu)建筑而言，采用文獻(xiàn)[2]規(guī)定方法進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)，手算具有可操作性，但是當(dāng)結(jié)構(gòu)存在規(guī)則性問(wèn)題或體型比較復(fù)雜需要按側(cè)向剛度分配法作整體分析時(shí)，手算就顯得力不從心了。

第二種采用國(guó)外MITEK軟件計(jì)算的設(shè)計(jì)文件，該軟件適用于各類木結(jié)構(gòu)建筑整體設(shè)計(jì)和構(gòu)件設(shè)計(jì)，但使用MITEK軟件尚需國(guó)內(nèi)建設(shè)技術(shù)主管部門認(rèn)可。該軟件尚存在諸多需要與中國(guó)規(guī)范協(xié)調(diào)銜接的前后處理問(wèn)題。雖然國(guó)內(nèi)部分用戶已購(gòu)買了該軟件，但使用范圍受到一定限制。

國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件的研發(fā)尚未提到議事日程。計(jì)算手段涉及木結(jié)構(gòu)建筑的推廣應(yīng)用，開(kāi)發(fā)中國(guó)適用的木結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件應(yīng)是當(dāng)務(wù)之急。

國(guó)內(nèi)配套的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)構(gòu)件選用手冊(cè)、企業(yè)的制品標(biāo)準(zhǔn)，僅見(jiàn)高承勇等編著的“輕型木結(jié)構(gòu)建筑設(shè)計(jì)”，附有構(gòu)件選用表；蘇州皇家編制的工程木制品、木結(jié)構(gòu)五金等企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

著名的連接件專業(yè)生產(chǎn)廠SIMPSON公司[5]、MITEK公司的產(chǎn)品遍及木與木、木與混凝土、木與鋼以及木與砌體結(jié)構(gòu)中的連接中。

目前送審的木結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計(jì)文件的深度一般都未達(dá)建設(shè)部《建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定》[6]，或存在設(shè)計(jì)文件不全，或存在設(shè)計(jì)深度不夠等問(wèn)題，包括計(jì)算書(shū)、設(shè)計(jì)說(shuō)明、平面圖、節(jié)點(diǎn)詳圖、連接件詳圖以及其他構(gòu)配件等。

國(guó)內(nèi)木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)配套技術(shù)的開(kāi)發(fā)力度尚不能滿足木結(jié)構(gòu)技術(shù)發(fā)展的需求。

4 前景

國(guó)內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑業(yè)從本世紀(jì)初起步，已具雛形，工程項(xiàng)目遍及全國(guó)各省市，應(yīng)用于住宅會(huì)所、游藝設(shè)施、景觀小品和橋梁等建筑結(jié)構(gòu)中，也常見(jiàn)于仿古建筑中。

國(guó)內(nèi)科研院校、設(shè)計(jì)、木業(yè)聯(lián)手的現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)理論研究、應(yīng)用技術(shù)以及實(shí)驗(yàn)研究的成果卓有成效地推動(dòng)了中國(guó)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)事業(yè)的進(jìn)展，當(dāng)前國(guó)內(nèi)現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)建筑發(fā)展的瓶頸是適用的結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件、工程木制品、連接件等，建筑市場(chǎng)監(jiān)管機(jī)制也需要進(jìn)一步配套和完善。

隨著現(xiàn)代木結(jié)構(gòu)技術(shù)的進(jìn)展、木結(jié)構(gòu)建筑日益廣泛的應(yīng)用，木結(jié)構(gòu)研發(fā)將如同混凝土結(jié)構(gòu)、鋼結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)一樣，終將顯示其在建筑結(jié)構(gòu)體系領(lǐng)域內(nèi)的不可或缺的價(jià)值。

[1]中華人民共和國(guó)建設(shè)部主編.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50005-2003)(2005年版). 北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2003.

[2]上?，F(xiàn)代建筑設(shè)計(jì)(集團(tuán))有限公司主編.輕型木結(jié)構(gòu)建筑技術(shù)規(guī)程(DG/TJ08-2059-2009).上海：2009.

[3]木結(jié)構(gòu)規(guī)范修訂組.木結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范(GB50005)(征求意見(jiàn)稿)，2013.

[4]中華人民共和國(guó)公安部主編.建筑防火規(guī)范(GB 50016)(報(bào)批稿)，2012.

[5]SIMPSON.WOOD CONSTRUCTION CONNECTORS C 2011-2012.

[6]中華人民共和國(guó)建設(shè)部.建筑工程設(shè)計(jì)文件編制深度規(guī)定(2008板)，2010.

[7]中華人民共和國(guó)建設(shè)部主編.建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范(GB 50011-2010).北京：2010.

[8]康加華.輕型木結(jié)構(gòu)房屋力學(xué)性能與設(shè)計(jì)理論研究.上海：同濟(jì)大學(xué)博士學(xué)位論文，2012，4.